基于云服務(wù)計(jì)算的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)

陳南忠，曾凱健，歐陽鉅添，劉境佳，黃燦恒，毋茂盛

（肇慶學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)更新?lián)Q代速度日益加快，因此廢舊手機(jī)的數(shù)量不斷增長，造成了資源浪費(fèi)。隨著手機(jī)功能的不斷擴(kuò)展，從最初的通話功能，逐漸擴(kuò)展了照相、音樂播放、上網(wǎng)以及支付等功能，為人們的生活帶來了極大便利。基于手機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)成為研究的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了基于云服務(wù)計(jì)算的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)，利用廢舊手機(jī)采集圖像，節(jié)省購置攝像頭的成本，并借助手機(jī)測量房間溫度和人體溫度，實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈、門鎖控制等功能，同時(shí)還可以用手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由手機(jī)控制端APP、騰訊云服務(wù)器、圖像采集端APP以及基于STM32的控制電路板組成。手機(jī)控制端APP和圖像采集端APP均基于安卓系統(tǒng)開發(fā)；服務(wù)器包括流媒體服務(wù)器和MQTT服務(wù)器；STM32控制電路板包括單片機(jī) STM32F103C8T6、溫濕度采集模塊、燈泡、電子鎖以及控制驅(qū)動電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 控制與報(bào)警

控制端手機(jī)APP通過MQTT協(xié)議向云服務(wù)器發(fā)送指令（如控制打開電子鎖），云服務(wù)器接收指令后轉(zhuǎn)發(fā)至STM32控制電路板，控制電路板接收到指令后執(zhí)行對應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)對家居的智能化控制。控制端手機(jī)APP接收來自STM32控制板采集的溫、濕度數(shù)據(jù)，并在手機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示。如果監(jiān)測到異常溫度，控制端手機(jī)報(bào)警。

1.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)視功能

為降低成本，系統(tǒng)利用廢舊手機(jī)進(jìn)行圖像采集與傳送。安裝在廢舊手機(jī)上的APP開啟推流功能，出現(xiàn)攝像頭預(yù)覽頁面，APP將拍攝的畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆品?wù)器。控制端手機(jī)APP開啟拉流功能后，接收來自廢舊手機(jī)APP傳輸?shù)膶?shí)時(shí)圖像，并實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件包括廢舊手機(jī)與STM32控制電路板。前者主要用于采集圖像信息，后者主要用于控制燈、門鎖的開閉，以及采集溫度等信息。STM32控制電路板上電后會通過WiFi自動連接路由器，并不斷進(jìn)行室溫采集。它通過MQTT協(xié)議和云服務(wù)器通信，接收來自云服務(wù)器的指令，并根據(jù)接收的指令控制其所連接的模塊。同時(shí)，也可通過MQTT將模塊集采的溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器，再經(jīng)由服務(wù)器發(fā)送到控制端APP。STM32控制電路板主要由ARM單片機(jī)STM32F103C8T6、測溫模塊、門鎖、燈光控制模塊以及WiFi通信模塊等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 測溫模塊設(shè)計(jì)

測溫模塊的功能：完成人體溫度和環(huán)境溫濕度的測量，上傳至服務(wù)器，并在OLED屏上顯示。該模塊硬件主要由STM32F103C8T6、人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、報(bào)警電路、ESP8266 WiFi模塊、OLED顯示器等組成。測溫模塊硬件電路板如圖3所示。

圖3 溫度測量模塊電路板

2.1.1 人體溫度采集電路

人體溫度采集電路選用紅外測溫傳感器GY906，其具有非接觸、體積小、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器通過IC接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簡化了硬件接口電路設(shè)計(jì)。當(dāng)單片機(jī)STM32收到人體溫度檢測指令時(shí)，該電路將進(jìn)行一次人體溫度檢測，并將檢測結(jié)果送到OLED顯示，同時(shí)上傳至服務(wù)器。

2.1.2 環(huán)境溫濕度采集電路

環(huán)境溫濕度采集電路使用DHT11溫濕度傳感器，通過單總線接口與單片機(jī)相連。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)每秒對周圍環(huán)境的溫、濕度進(jìn)行一次測量，并將結(jié)果顯示到OLED。同時(shí)，通過WiFi和MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

2.1.3 報(bào)警電路

當(dāng)周圍環(huán)境溫濕度以及人體溫度超過設(shè)定范圍時(shí)，會向單片機(jī)申請中斷，在單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)通過蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)通過WiFi向控制端手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號。可通過手機(jī)和電路板按鍵手動關(guān)閉報(bào)警器，或者當(dāng)數(shù)值恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)自動關(guān)閉。

2.2 燈、鎖模塊開發(fā)設(shè)計(jì)

燈、鎖控制模塊主要由驅(qū)動電路、繼電器以及燈泡和電插鎖組成。控制電路板STM32通過其GPIO口發(fā)送信號給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路將3.3 V信號分別轉(zhuǎn)變成5 V和12 V，進(jìn)行功率放大后驅(qū)動繼電器。其中，燈泡由5 V繼電器控制，電插鎖由12 V繼電器控制。電插鎖選用YGS-600-S5，其由專用電源供電。通過讀其GPIO口線，STM32可以掌握電插鎖的狀態(tài)，利用WiFi模塊與服務(wù)器通信，STM32控制電路板收到開、關(guān)鎖或燈的指令時(shí)，就執(zhí)行對應(yīng)操作，在控制端APP顯示操作結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像采集APP

圖像采集APP安裝在廢舊手機(jī)上，首先設(shè)置使用的攝像頭，點(diǎn)擊攝像頭圖標(biāo)即可進(jìn)行視頻推流，視頻數(shù)據(jù)會通過WiFi發(fā)送到Nginx+RTMP服務(wù)器，拉流程序再實(shí)時(shí)接收視頻數(shù)據(jù)。程序在安卓平臺上使用JNI方式開發(fā)，通過調(diào)用手機(jī)攝像頭的API設(shè)置分辨率、幀率等參數(shù)，然后進(jìn)行視頻預(yù)覽，使用FFmpeg對獲取的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行h264格式編碼后，再利用RTMP協(xié)議將編碼的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。推流部分核心代碼如下：

采集圖像畫面如圖4所示。

圖4 廢舊手機(jī)采集圖像

3.2 控制端APP

控制端APP具有如下功能：

（1）在控制端手機(jī)顯示圖像信息；

（2）接收來自STM32開發(fā)板上的人體溫度和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠向云服務(wù)器發(fā)送開、關(guān)門鎖的指令。

3.2.1 視頻拉流功能實(shí)現(xiàn)

視頻拉流通過RTMP協(xié)議實(shí)時(shí)獲取服務(wù)器的視頻碼流，獲取流數(shù)據(jù)后，通過FFmpeg對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，最后在APP界面播放視頻。顯示圖像界面如圖5所示。

圖5 控制手機(jī)顯示圖像

獲取視頻流部分代碼如下：

3.2.2 燈鎖控制以及信息顯示程序設(shè)計(jì)

通過MQTT協(xié)議連接云服務(wù)器，獲取人體溫度和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并顯示在APP主界面，如果溫度超過設(shè)定閾值，將觸發(fā)蜂鳴器提醒。

點(diǎn)擊控制燈和門鎖按鈕時(shí)，通過MQTT代理發(fā)送一條JSON格式的消息到服務(wù)器，然后服務(wù)器將收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給STM32控制電路板，對燈和門鎖進(jìn)行控制，并更新APP上燈和門鎖的狀態(tài)顯示。運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 控制端APP運(yùn)行界面

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了用廢舊手機(jī)遠(yuǎn)程控制家居的監(jiān)控系統(tǒng)，利用廢舊手機(jī)采集圖像，降低了系統(tǒng)成本；通過溫濕度傳感器測量環(huán)境和人體溫度與濕度，并在手機(jī)上顯示，方便用戶實(shí)時(shí)了解房間溫度與濕度；通過紅外測溫模塊測量體溫，為日常生活提供便利，特別在疫情期間，該功能意義重大；利用手機(jī)開、關(guān)燈和門鎖，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程接收快遞或外賣功能。該項(xiàng)研究擴(kuò)展了手機(jī)的功能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。